模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換

第10章模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換

內(nèi)容提要本章討論數(shù)/模和模/數(shù)轉(zhuǎn)換的基本原理以及幾種常用的典型轉(zhuǎn)換電路，并就主要的應(yīng)用和技術(shù)指標進行介紹。2024-10-2910.1A/D轉(zhuǎn)換器10.2D/A轉(zhuǎn)換器2024-10-29

由傳感器、放大電路輸出的信號是連續(xù)變化的模擬信號，它們不能直接送入數(shù)字系統(tǒng)進行處理，為此，需要把模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，這個過程稱為模、數(shù)轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)模、數(shù)轉(zhuǎn)換的電路稱為模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，簡稱為A/D轉(zhuǎn)換器，即ADC（AnalogDigitalConverrter）。有時還需要把處理后的數(shù)字信號再轉(zhuǎn)換成模擬信號。把數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號的過程稱為數(shù)模轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換的電路稱為數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，簡稱為D/A轉(zhuǎn)換器，即DAC（DigitalAnalogConverrter）。

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10.1A/D轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換器的種類很多，就位數(shù)來分，有8位、10位、12位和16位等。位數(shù)越高，其分辨率就越高，和D/A轉(zhuǎn)換器一樣，其型號很多，在精度、速度和價格上也千差萬別。就A/D轉(zhuǎn)換器的變換原理可分為兩大類：逐次逼近型和雙積分型，這里介紹逐次逼近型A/D。2024-10-29

10.1.1A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理A/D轉(zhuǎn)換器要實現(xiàn)將連續(xù)變化的模擬量變?yōu)殡x散的數(shù)字量，通常要經(jīng)過4個步驟：采樣、保持、量化和編碼，如圖10.1所示。一般前兩步由采樣保持電路完成，量化和編碼由A/D完成。圖10.1A/D轉(zhuǎn)換原理框圖2024-10-29

1.采樣和保持所謂采樣，就是將一個時間上連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)化為時間上離散變化的數(shù)字量。模擬信號的采樣過程如圖10.2（a）、（b）所示，其中ui（t）為輸入模擬信號，uo（t）為輸出模擬信號。它相當于每隔時間T采樣開關(guān)閉合

時間，一般T遠遠大于

，若

≈0，稱為理想采樣。采樣的寬度往往是很窄的，而每次把采樣電壓轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字量都需要一定的時間，所以在每次采樣以后，必須把采樣電壓保持一段時間以保證采樣過程的實施。通常將需要的采樣結(jié)果存儲起來，直到下次采樣到來，這個過程稱做保持。保持信號波形us(t)如圖10.2（c）所示。2024-10-29

圖10.2信號的采樣和保持過程（a）原始信號；（b）采樣信號；（c）保持信號

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2.量化和編碼所謂量化，就是把采樣電壓轉(zhuǎn)化為某個最小單位電壓

的整數(shù)倍的過程。分成的等級叫做量化級，

稱為量化單位。所謂編碼，就是用二進制代碼來表示量化后的量化電平。顯然，數(shù)字信號最低有效位（LSB）的1所代表的數(shù)量大小就等于

。采樣后的數(shù)值不可能剛好是某個量化基準值，總有些偏差，這個偏差稱為量化誤差。顯然，量化級越細，量化誤差就越小，但所用的二進制代碼的位數(shù)就越多。同時，采用不同的量化等級進行量化時，可能產(chǎn)生不同的量化誤差。2024-10-29

例如把0～+1V的模擬電壓轉(zhuǎn)換成3位二進制代碼，則最簡單的方法是取

=1/8V，并規(guī)定凡數(shù)值在0～1/8V之間的模擬電壓量化時都當做0·

，用二進制數(shù)000表示；凡數(shù)值在1/8～2/8V之間的模擬電壓都當做1·

對待，用二進制001表示，依次類推，7/8～1V之間的模擬電壓則當做7·

，如圖10.3所示。不難看出，這種量化方法可能帶來的最大量化誤差可達

，即1/8V。這樣，采樣的模擬電壓經(jīng)過量化編碼電路后就轉(zhuǎn)換成一組n位的二進制數(shù)輸出，這個二進制數(shù)就是A/D轉(zhuǎn)換的輸出結(jié)果。圖10.3量化電平及量化誤差2024-10-29

10.1.2逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器逐次逼近比較式A/D轉(zhuǎn)換器可以用圖10.4所示的原理框圖來描述。其基本工作原理敘述為：轉(zhuǎn)換開始前先將所有寄存器清零。開始轉(zhuǎn)換以后，時鐘脈沖首先將寄存器最高位置成1，使輸出數(shù)字為100…0。這個數(shù)碼被D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬電壓uo，送到比較器中與ui進行比較。若ui＜uo，說明數(shù)字過大了，故將最高位的1清除；若ui＞uo，說明數(shù)字還不夠大，應(yīng)將這一位保留。然后，再按同樣的方式將次高位置成1，并且經(jīng)過比較確定這個1是否應(yīng)該保留。這樣逐位比較下去，一直到最低位為止。比較完畢后，寄存器中的狀態(tài)就是所要求的數(shù)字量輸出。2024-10-29

顯然，其工作過程可與天平稱重物類比，并得到解釋。圖中的電壓比較器相當于天平，被測模擬電壓輸入ui相當于重物，基準電壓Vref相當于電壓砝碼，且電壓砝碼具有按8421編碼遞進的各種規(guī)格。根據(jù)ui＜Vref或ui＞Vref，比較器有不同的高低電平輸出，從而輸出由大到小的基準電壓砝碼，與被測模擬輸入電壓ui比較，并逐次減小其差值，使之逼近平衡。當ui=Vref，比較器輸出為零，相當于天平平衡，最后以數(shù)字顯示的平衡值即為被測電壓值。2024-10-29圖10.4逐次逼近比較式A/D轉(zhuǎn)換原理框圖2024-10-29

10.1.3集成ADC0809簡介ADC0809是一種采用CMOS工藝制成的8路模擬輸入的8位逐次逼近型ADC，它由單一+5V供電，片內(nèi)帶有鎖存功能的8路模擬開關(guān)，可對8路0～5V的輸入模擬電壓分時進行轉(zhuǎn)換，完成一次轉(zhuǎn)換約需100

s，其原理框圖如圖10.5所示。2024-10-29圖10.5ADC0809的原理框圖2024-10-29

ADC0809的符號圖如10.6所示，各端子的功能如下：IN-0~IN-7——8路模擬量輸入端。ADD-C，ADD-B，ADD-A——地址線，ADD-C為最高位，根據(jù)其值選擇一路輸入信號進行A/D轉(zhuǎn)換。ALE——地址鎖存允許信號輸入端，高電平有效。START——A/D轉(zhuǎn)換啟動信號輸入端，當其為高電平時，開始轉(zhuǎn)換。EOC——轉(zhuǎn)換結(jié)束信號輸出端，開始轉(zhuǎn)換時為低電平，轉(zhuǎn)換結(jié)束時為高電平。2024-10-29

REF（+）——基準電壓正極，為5V。REF（

）——基準電壓負極，為0V。D0～D7——8位數(shù)字輸出端。CLOCK——時鐘信號輸入端，時鐘頻率不應(yīng)高于100kHz。ENABLE——輸出允許端，它控制ADC內(nèi)部三態(tài)輸出緩沖器。當其為0時，輸出為高阻態(tài)，當其為1時，允許緩沖器中的數(shù)據(jù)輸出。2024-10-29圖10.6ADC0809符號圖2024-10-29

10.1.4A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標1.分辨率與量化誤差A(yù)/D轉(zhuǎn)換器的分辨率用輸出二進制數(shù)的位數(shù)表示，位數(shù)越多，誤差越小，轉(zhuǎn)換精度越高。例如，輸入模擬電壓的變化范圍為0～5V，輸出8位二進制數(shù)可以分辨的最小模擬電壓為5V×2-8＝20mV；而輸出12位二進制數(shù)可以分辨的最小模擬電壓為5V×2-12≈1.22mV。量化誤差則是由于A/D轉(zhuǎn)換器分辨率有限而引起的誤差，其大小通常規(guī)定為±（1/2）LSB。該量反映了A/D轉(zhuǎn)換器所能辨認的最小輸入量，因而量化誤差與分辨率是統(tǒng)一的，提高分辨率可減小量化誤差。LSB是指最低一位數(shù)字量變化所帶來的幅度變化。2024-10-29

2.線性誤差線性誤差是指實際的輸出特性曲線偏離理想直線的最大偏移值。3.轉(zhuǎn)換精度A/D轉(zhuǎn)換器的精度可用絕對精度和相對精度來描述。絕對精度是指轉(zhuǎn)換器在其整個工作區(qū)間理想值與實際值之間的最大偏差。它包括量化誤差、偏移誤差和線性誤差等所有誤差。相對誤差是指絕對誤差與滿刻度值之比，一般用百分數(shù)（%）表示。

4.轉(zhuǎn)換速度轉(zhuǎn)換速度是指完成一次轉(zhuǎn)換所需的時間。轉(zhuǎn)換時間是指從接到轉(zhuǎn)換控制信號開始，到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字輸出信號所經(jīng)過的時間。這是一項重要的技術(shù)指標。產(chǎn)品手冊一般給出轉(zhuǎn)換速度。一般情況下，轉(zhuǎn)換速度越高，價格越貴，在應(yīng)用時應(yīng)根據(jù)實際需要和價格來選擇器件。2024-10-29

10.2D/A轉(zhuǎn)換器D/A轉(zhuǎn)換器的功能是將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號（電壓或電流信號）。D/A轉(zhuǎn)換器種類很多，按工作原理可分為T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器和權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器；按工作方式可分為電壓相加型D/A轉(zhuǎn)換器及電流相加型D/A轉(zhuǎn)換器；按輸出電壓極性又可分為單極性D/A轉(zhuǎn)換器和雙極性D/A轉(zhuǎn)換器。雖然D/A轉(zhuǎn)換器的芯片和種類很多，但根據(jù)工作原理，其總體結(jié)構(gòu)基本相同。在這里通過介紹常用的T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器來說明DAC的基本工作原理。2024-10-29

10.2.1T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器1.電路組成圖10.7所示的是4位T型電阻網(wǎng)絡(luò)DAC，它是由2R和R兩種規(guī)格的電阻組成，故常稱為R-2RT型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器。它的特點是，網(wǎng)絡(luò)中任何一個節(jié)點（A,B,C,D）向左、向右、向下看進去的等效電阻都為2R（注意N點為虛地）。S0,S1,S2,S3是4個模擬開關(guān)，用于表示數(shù)字信號d0,d1,d2,d3情況，當開關(guān)接到電源上，表示對應(yīng)的數(shù)字信號di為“1”；當開關(guān)接地，表示對應(yīng)的數(shù)字信號di為“0”。2024-10-29

圖10.74位T型電阻網(wǎng)絡(luò)DAC

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2．工作原理當S0單獨接電源+UREF時，即：d0=1，d1=0，d2=0，d3=0，根據(jù)電路的特點，可以得到相應(yīng)的等效電路如圖10.8所示。根據(jù)電路中每個節(jié)點向右看進去的等效電阻為2R，具有均分電流的作用，同時，由虛地概念，從等效電路可以看出，，這樣可以得到，從而有。同理可以得到，當S1,S2,S3分別單獨接電源+UREF時，DAC的相應(yīng)輸出為：，，2024-10-29圖10.8S0單獨接電源的等效電路2024-10-29

由于當Si開關(guān)接電源表示“1”，接地表示“0”，也就是di=“1”或“0”，當所有開關(guān)接“1”或“0”時，根據(jù)疊加原理，D/A的輸出電壓可以表示：即：

假設(shè)有N位T型網(wǎng)絡(luò)電阻D/A，則相應(yīng)的輸出為：

顯然，輸出的模擬電壓與輸入數(shù)字量成正比，實現(xiàn)了數(shù)字量與模擬量的轉(zhuǎn)換。2024-10-29

3.集成DAC0832簡介DAC0832是用CMOS工藝制成的雙列直插式8位DAC芯片，可直接與8080、8084、8085及其他微處理器接口。它有兩級緩沖寄存器（簡稱緩存），能方便地應(yīng)用于多個DAC同時工作的場合，其原理框圖如圖10.9所示。2024-10-29圖10.9DAC0832原理框圖2024-10-29

（1）引線端子功能。DAC0832的符號如圖10.10所示，各端子的功能如下：DI0~DI7——8位數(shù)字輸入端。——片選端，輸入寄存器選通信號，低電平有效?！獙戇x通端，輸入寄存器寫信號，低電平有效。ILE——允許鎖存端，輸入寄存器鎖存信號，高電平有效。ILE與和共同控制輸入寄存器選通，當=0，ILE=1時，才能將數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)寫入寄存器中，否則寄存器鎖存數(shù)據(jù)?！獢?shù)據(jù)傳送控制端，低電平有效，控制選通DAC寄存器。2024-10-29圖10.10DAC0832的簡單應(yīng)用電路2024-10-29

——寫選通端，即DAC寄存器寫信號，低電平有效，當和同時有效時，將輸入寄存器中的數(shù)據(jù)寫入DAC寄存器。

Uref——基準電壓輸入端（

10~+10V）。Rfb——外接反饋電阻端。Iout1——DAC模擬電流輸出1。Iout2——DAC模擬電流輸出2，Iout1+Iout2=常數(shù)。UCC——電源輸入端（+5~+15V）。AGND——模擬地。DGND——數(shù)字地。使用時，將系統(tǒng)所有模擬地和系統(tǒng)所有數(shù)字地，分別接AGND和DGND后，再就近接到電源地。2024-10-29

（2）工作方式。①直通方式。當====0，ILE=1時，寄存器處于“直通”狀態(tài)，數(shù)據(jù)同時直接寫入兩級寄存器，直接輸入DAC轉(zhuǎn)換輸出。②單緩沖方式。當===0，ILE=1時，若=1，數(shù)據(jù)鎖存，模擬輸出不變；若=0，模擬輸出更新。③雙緩沖方式。分別控制兩級寄存器，實現(xiàn)兩次鎖存緩沖，可以同時接收兩組數(shù)據(jù)，以提高轉(zhuǎn)換速度。2024-10-29

（3）典型應(yīng)用。DAC0832轉(zhuǎn)換用的是倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)，如圖10.7所示，而DAC0832芯片中無運算放大器，因此需外接運算放大器。圖10.10所示是一個DAC0832的簡單應(yīng)用電路。當=0，ILE=1時，在輸入鎖存控制端（）加一個負脈沖，輸入寄存器就可接收并鎖存輸入數(shù)據(jù)。當=0，在D/A啟動控制端（）加一個負脈沖，輸入寄存器的數(shù)據(jù)就傳送到DAC寄存器，同時啟動D/A轉(zhuǎn)換。運算放大器A將DAC的輸出電流轉(zhuǎn)換為電壓，RP則是用來調(diào)節(jié)這個轉(zhuǎn)換系數(shù)（即互阻增益）的，具體調(diào)節(jié)時，是在輸入最大時輸出電壓達到滿度，所以又叫滿度調(diào)節(jié)。2024-10-29

10.2.2D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標不同制造廠家給出的D/A轉(zhuǎn)換器的技術(shù)參數(shù)以及對某些參數(shù)的定義有所不同，本節(jié)介紹一些共同采用的主要參數(shù)。1.分辨率分辨率指的是最小輸出電壓與最大輸出電壓之比。它反映了數(shù)字量在最低位上變化1時輸出模擬量的最小變化量。其中最小輸出電壓對應(yīng)的輸入數(shù)字量只有最低有效位為“1”，最大輸出電壓對應(yīng)的輸入數(shù)字信號為所有有效位全為“1”。對于8位D/A轉(zhuǎn)換器來說，分辨率為最大輸出幅度的0.39%，即為1/255；在10位D/A轉(zhuǎn)換器中，分辨率可以提高到0.1%，即

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另外，由于輸出電壓是根據(jù)轉(zhuǎn)換器輸入數(shù)字量的位數(shù)按位權(quán)決定，故常用輸入數(shù)字量的位數(shù)來表示分辨率，如8位、10位等。因此，分辨率表示D/A轉(zhuǎn)換器在理論上可以達到的精度。然而，由于D/A轉(zhuǎn)換器的各個環(huán)節(jié)在參數(shù)、性能和理論值之間不可避免地存在差異，所以實際能達到的轉(zhuǎn)換精度低于理論值，由各種因數(shù)引起的轉(zhuǎn)換誤差決定轉(zhuǎn)換精度。2024-10-29

2.線性誤差與A/D一樣，線性誤差是指D/A轉(zhuǎn)換器的實際轉(zhuǎn)移特性與理想直線之間的最大誤差或最大偏移。一般情況下，偏差值應(yīng)小于±1/2LSB。3.轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換精度以最大靜態(tài)轉(zhuǎn)換誤差的形式給出。這個轉(zhuǎn)換誤差應(yīng)包含非線性誤差、比例系數(shù)誤差以及漂移誤差等綜合誤差。2024-10-29

4．轉(zhuǎn)換速度轉(zhuǎn)換速度指的是每秒鐘可以轉(zhuǎn)換的次數(shù)，其倒數(shù)為轉(zhuǎn)換時間。通常用建立時間tset來描述D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度。建立時間tset的定義：從輸入數(shù)字量發(fā)生突變開始，到輸出電壓進入與穩(wěn)態(tài)值相差±1/2LSB范圍內(nèi)的時間。在外